Định tuyến trong mạng AD hoc vô tuyến

Giới thiệu chung Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin đang ngày càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống xã hội như kinh tế, giáo dục, xây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN DUY TÂN

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN

Ngành: Công Nghệ Thông Tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số: 60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN HỒNG QUÂN

Hà Nội 2009

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 13

1.1 Giới thiệu chung 13

1.2 Phân loại mạng không dây 14

1.3 Mạng cá nhân WPAN (Wireless Personal Area Networks) [5]-[7]-[8]-[12] 15

1.4 Mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network) [5]-[7]-[8]-[12] 16

1.4.1 Lịch sử ra đời mạng WLAN 16

1.4.2 Một số ưu điểm của mạng WLAN 17

1.4.3 Nhược điểm của WLAN 18

1.4.4 Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng 19

1.4.5 Mạng Ad Hoc (MANET) [5]-[7]-[8]-[12] 20

1.4.5.1 Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng Ad Hoc 20

1.4.5.2 Một số mạng Ad hoc điển hình 21

1.4.5.3 Các ứng dụng của mạng Ad hoc 22

1.5 Mạng đô thị không dây WMAN [7]-[14] 23

1.6 Tóm tắt chương 25

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.11 26

2.2 Mô hình kiến trúc mạng không dây so với mô hình OSI [8] 26

2.3 Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 [8]-[7]-[11]-[14] 28

2.3.1 IEEE 802.11b 28

2.3.2 IEEE 802.11a 29

2.3.4 IEEE 802.11i 30

2.3.5 IEEE 802.11n Error! Bookmark not defined 2.4 Lớp Vật Lý (Physical Layer) Error! Bookmark not defined 2.4.1 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần [3]-[8]-[13] Error! Bookmark not defined

2.4.2 Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spread

Spectrum) [3]-[8]-[13] Error! Bookmark not defined 2.4.3 Kỹ thuật sử dụng hồng ngoại (Infrared Physical Layer) [3]-[4] Error!

Bookmark not defined

2.4.4 Kỹ thuật OFDM [3]-[8]-[10]-[14] Error! Bookmark not defined 2.5 Lớp điều khiển truy cập môi trường truyền [7]-[10] Error! Bookmark not

defined

2.5.1 Giao thức truy cập CSMA/CA [8] Error! Bookmark not defined 2.5.2 Chức năng phối hợp phân tán Error! Bookmark not defined 2.5.2.1 DCF sử dụng phương pháp CSMA/CD [8]-[11] Error! Bookmark

not defined

2.5.2.2 Sử dụng gói tin điều khiển RTS/CTS Error! Bookmark not defined

2.5.2.3 DCF sử dụng gói tin RTS/CTS để giải quyết vấn đề Hidden Terminal

Error! Bookmark not defined

2.6 Định dạng gói tin tầng MAC [8] Error! Bookmark not defined 2.6.1 Khuôn dạng gói tin tầng MAC Error! Bookmark not defined 2.6.2 Định dạng gói tin điều khiển ACK, RTS, CTS Error! Bookmark not

defined

2.7 Lớp quản lý tầng MAC (MAC Management) Error! Bookmark not defined 2.7.1 Sự đồng bộ hóa (Synchronization) [11] Error! Bookmark not defined 2.7.2 Quản lý năng lượng (Power Management) Error! Bookmark not defined 2.7.3 Quản lý chuyển vùng (Handoff) Error! Bookmark not defined CHƯƠNG III: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC Error!

Bookmark not defined

3.1 Giới thiệu về định tuyến trong mạng Ad hoc [9]-[10]-[11]-[12] Error!

Bookmark not defined

3.2 Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến cho mạng Ad hoc không dây Error!

Bookmark not defined

3.2 Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng Ad Hoc [11]-[12] Error!

Bookmark not defined

3.2 Định tuyến theo vecter khoảng cách tuần tự đích (DSDV - Destination

Sequenced Distance Vector) [4]-[5]-[10]-[11]-[12] Error! Bookmark not defined 3.3 Định tuyến theo trạng thái đường liên kết tối ưu [5]-[11]-[12] Error!

Bookmark not defined

3.4 Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) [5]-[11]-[12] Error! Bookmark

not defined

3.5 Định tuyến nguồn động (DSR - Dynamic Source Routing) [5]-[10]-[11] Error!

Bookmark not defined

3.6 Giao thức định tuyến vùng (ZRP - Zone Routing Protocol) [11]-[12] Error!

Bookmark not defined

3.7 Tóm tắt Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỂ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN Error! Bookmark not defined 4.1 Bộ mô phỏng mạng NS2 [2]-[15]-[20] Error! Bookmark not defined 4.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 4.1.2 Sự liên kết giữa C++ và OTCL Error! Bookmark not defined 4.1.3 Mô hình kiến trúc NS2 Error! Bookmark not defined 4.1.4 Các đặc điểm chính của NS2 Error! Bookmark not defined 4.1.5 Khả năng mô phỏng của NS Error! Bookmark not defined 4.2 Mô phỏng mạng di động không dây 802.11 trong NS [18]-[20]-[21] Error!

Bookmark not defined

4.2.1 Các mô hình truyền sóng vô tuyến Error! Bookmark not defined 4.2.1.1 Mô hình FreeSpace Error! Bookmark not defined

defined

4.2.1.3 Mô hình Shadowing Error! Bookmark not defined 4.2.2 Tạo một nút di động (Mobile Node) Error! Bookmark not defined 4.2.3 Tạo sự chuyển động cho Node (Creating Node movements) Error!

Bookmark not defined

4.2.4 Tạo bộ lập lịch sự kiện (Creating Event Scheduler) Error! Bookmark not

4.3 Cấu trúc tệp vết đối với mạng di động không dây theo chuẩn 802.11

[16]-[18]-[19]-[20]-[21] Error! Bookmark not defined 4.4 Các công cụ xử lý sau khi mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.4.1 Sử dụng Grep Error! Bookmark not defined 4.4.2 Xử lý file dữ liệu với Awk Error! Bookmark not defined 4.4.3 Xử lý file dữ liệu với Perl Error! Bookmark not defined 4.3.5 Vẽ đồ thị với gnuplot [26] Error! Bookmark not defined 4.3.6 Vẽ đồ thị với xgraph [27] Error! Bookmark not defined 4.3.7 Tổng hợp dữ liệu với Trace graph [23]-[24]-[25] Error! Bookmark not

4.5.4 Đánh giá các tuyến đường được thiết lập trong thời gian mô phỏng

Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Tổng quan về mạng vô tuyến 14

Hình 1.2 : Tổng quát về các chuẩn mạng không dây 15

Hình 1.3: Mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng 19

Hình 1.4: Mô hình mạng không dây Ad hoc 21

Hình 1.5: Mạng Ad Hoc điển hình 21

Hình 2.1: Các chuẩn giao thức IEEE 802 và mô hình OSI 27

Hình 2.2: Mô hình kiến trúc theo chuẩn 802.11 28

Hình 2.3: Các lựa chọn chuẩn 802.11b 29

Hình 2.4: Định dạng của một frame quy định trong FHSS 802.11 PHYError! Bookmark

not defined

Hình 2.5: Các kênh và dải tần số hoạt động trùng nhau đáng kể Error! Bookmark not

Bookmark not defined

Hình 2.13: Minh họa về khoảng tranh chấp truy cập CSMA/CA Error! Bookmark not

defined

Hình 2.24: Mô tả chu kỳ hoạt động của PCF Error! Bookmark not defined Hình 2.25: Khuôn dạng gói tin tầng MAC Error! Bookmark not defined Hình 2.26: Khuôn dạng gói tin ACK Error! Bookmark not defined Hình 2.27: Khuôn dạng gói tin RTS Error! Bookmark not defined Hình 2.28: Khuôn dạng gói tin CTS Error! Bookmark not defined Hình 2.29: AP gửi gói tin beacon trong mạng không dây cơ sở hạ tầngError! Bookmark

not defined

Hình 2.29: Truyền gói tin beacon trong mạng ad-hoc Error! Bookmark not defined

Hình 2.30: Quản lý năng lượng trong mạng dựa trên cơ sở hạ tầngError! Bookmark not

Hình 4.4: Một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch của CMU mở rộng ra NS

Error! Bookmark not defined

Hình 4.5: Một SRNode dưới chuẩn wireless của Monarch của CMU mở rộng ra NS

Error! Bookmark not defined Hình 4.6: Đồ hình mô phỏng 50 node mạng ah hoc Error! Bookmark not defined Hình 4-7: Thông lượng trung bình của toàn mạng Error! Bookmark not defined Hình 4-8: Độ trễ trung bình của toàn mạng Error! Bookmark not defined Hình 4-9: Thăng giáng độ trễ trung bình của toàn mạngError! Bookmark not defined Hình 4-10: Tỷ lệ mất gói tin trên toàn mạng Error! Bookmark not defined

BẢNG KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK Acknowledgement

AES Advanced Encryption Standard

AODV Ad Hoc On-Demand Distance Vector

AP Access Point

ATIM Ad-hoc Traffic Indication Map

BSS Basic Service Set

BSSID Basic Service Set Identifier

CCK Complementary Code Keying

CCA Clear Channel Assessment

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect

CTS Clear To Send

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

CW Contention Window

DCF Distributed Coordination Function

DIFS DCF Interframe Space

DS Destination Station

DSDV Destination Sequenced Distance Vector

DSR Dynamic Source Routing

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

DTIM Delivery Traffic Indication Map

EIRP Effective Isotropic Radiated Power

FCC Federal Communication Commission

FEC Forward Error Correction

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

GFSK Gaussian shaped FSK Frequency Shift Keying HEC Header Error Check

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IARP Intrazone Routing Protocol

ISM Industry Scientific Medical

ISM Industrial, Scientific and Medical band

IERP Interzone Routing Protocol

LAN Local Area Network

LLC Logical Link Control

MAC Medium Access Control

MANET Mobile Ad Hoc Network

MPR Multipoint Relays

MPRs Multipoint Relays Selector

NAM Network Animator

NAV Net Allocation Vector

NEST Network Simulation Testbed

NIC Network Interface Card

NLOS Non-Line-of-Sight

NS2 Network Simulation Version 2.0

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OLSR Optimized Link State Routing

PCF Point Coordination Function

PLCP Physical Layer Convergence Procedure

PMD Physical Medium Dependent

PHY Physical

PSP Power Saving Poll

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

REAL Realistic and Large

RREQ Route Request

RREP Route Reply

RERR Route ERRor

RTS Request To Send

SAP Service Access Point

SFD Start Frame Delimiter

SIFS Short Interframe Space

SNAP Sub-network Access Protocol

TIM Traffic Indication Map

TKIP Temporal Key Integrity Protocol

TMIM Traffic Map Indication Map

TSF Timing Synchronization Function

UNII Unlicensed National Information Infrastructure VINT Virtual InterNetwork Testbed

WAN Wide Area Network

WEP Wired Encryption Privacy

WIFI Wireless Fidelity

WiMAX World Interoperability for MicroAccess

WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WPAN Wireless Personal Area Networks

WWAN Wireless Wide Area Network

WWiSE WorldWide Spectrum Efficiency

ZRP Zone Routing Protocol

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chung

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin đang ngày càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống xã hội như kinh tế, giáo dục, xây dựng, y học, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào giải quyết các công việc thì Internet ngày càng khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong cuộc sống xã hội thời hiện đại Khi cuộc sống con người ngày càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng cao Con người muốn mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu mà không cần phải có

đường nối Đó chính là lý do mà mạng không dây ra đời Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh viện, trường học hay thậm trí là các quán cà phê Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền thống, mạng không dây cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất

Khi mà mạng không dây đang ngày càng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu và phát triển thì ngày càng nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất bởi các nhà khoa học, các hội nghị

Song song với sự phát triển của mạng không dây, mạng WLAN được chia ra thành hai mô hình chính đó là mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng và mô hình mạng không dây không có cơ sở hạ tầng Ad Hoc

Các mô hình, kiến trúc mạng này được đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ tầng Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Ad Hoc thường được viết tắt là MANET Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là pin Do đó, cùng với vấn

đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong mạng vô tuyến Ad Hoc cũng là vấn đề vô cùng quan trọng Nó quyết định rất lớn đến hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống mạng

Hình 1.1: Tổng quan về mạng vô tuyến

1.2 Phân loại mạng không dây

Nếu sự phân loại của mạng có dây dựa vào quy mô hoạt động cũng như phạm

vi ứng dụng như: mạng LAN, WAN, thì đối với hệ thống mạng không dây, chúng ta cũng có sự phân loại theo quy mô và phạm vi phủ sóng tương tự như hệ thống mạng hữu tuyến đó là: mạng WPAN theo chuẩn IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân, WLAN IEEE 802.11 dành cho mạng cục bộ, WMAN IEEE 802.16 dành cho mạng đô thị và mạng WWAN IEEE 802.20 cho mạng diện rộng

Hình 1.2 : Tổng quát về các chuẩn mạng không dây

bị, hơn là một công cụ nhằm cho phép một số lượng lớn các thiết bị trong nhà hoặc văn phòng có thể giao tiếp trực tiếp với nhau không cần dây cáp

Viện công nghệ Điện và Điện Tử IEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 và được sử dụng trong mạng WPAN với các tốc độ truyền dữ liệu khác nhau như: 802.15.1 có tốc

độ truyền dữ liệu trung bình, trong khi 802.15.3 có tốc độ truyền dữ liệu cao và 802.15.4 có tốc độ truyền thấp

IEEE 802.15.1 đặc tả công nghệ Bluetooth đã được thiết kế để cho phép kết nối không dây băng thông hẹp cho các thiết bị như: máy tính xách tay, chuột, bàn phím, máy

in, tai nghe, điện thoại di động, truyền thông với nhau Bluetooth hoạt động ở băng tần 2,4GHz ISM không cần đăng ký, vùng phủ sóng khoảng 10m, hỗ trợ các kênh truyền dữ liệu không đồng bộ và truyền sóng âm thanh đồng bộ có tốc độ 1Mbps

IEEE 802.15.3 đang được phát triển cho mạng Ad hoc với lớp MAC phù hợp cho truyền dữ liệu đa phương tiện Chuẩn 802.15.3 đặc tả tốc độ truyền dữ liệu lên tới 55Mbps trong dải tần 2,4Ghz

IEEE 802.15.4 định nghĩa giao thức liên kết nối các thiết bị ngoại vi truyền thông sóng vô tuyến trong hệ thống mạng một người dùng Chuẩn này sử dụng phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xảy ra xung đột (CSMA/CA) IEEE 802.15.4 cũng chỉ định lớp vật lý sử dụng kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (DSSS) ở băng tần 2,45GHz hỗ trợ tốc độ lên tới 250 Kbps và trải phổ từ 868 đến 20,915MHz tốc độ dữ liệu khoảng 20 Kbps đến 40 Kbps, phạm vi phủ sóng < 20m

1.4 Mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network) [5]-[7]-[8]-[12]

WLAN là một mạng cục bộ kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau thông qua việc sử dụng sóng hồng ngoại hoặc sóng vô tuyến để truyền nhận dữ liệu thay vì sử dụng dây cáp mạng như các mạng có dây truyền thống WLAN hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà, trường học, bệnh viện, công ty và một số nơi công cộng như trong các quán càfê, Có hai công nghệ chính được sử dụng để truyền thông trong WLAN là truyền thông bằng tia hồng ngoại (Infrared Light ở bước sóng

900 nm, 1nm = 10-9m) hoặc truyền thông bằng sóng vô tuyến, thông thường thì sóng radio được dùng phổ biến hơn vì nó truyền xa hơn, lâu hơn, rộng hơn, và có băng thông cao hơn WLAN cũng có hai dạng kiến trúc là WLAN có cơ sở hạ tầng (sử dụng các Access Point (hoặc trạm cơ sở Base Station) để kết nối phần mạng không dây với phần mạng có dây truyền thống và mạng không có cơ sở hạ tầng (mạng Ad hoc)

1.4.1 Lịch sử ra đời mạng WLAN

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản

xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng đường dây hiện thời

Năm 1992 các nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2,4Ghz Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung

Năm 1997 Viện công nghệ Điện và Điện Tử (IEEE) đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11

hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu

vô tuyến ở tần số 2,4Ghz